砂卵石地層盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析(論文正文)

1、·砂卵石地層盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析·砂卵石地層盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析朱 夢 柳（中鐵十一局城市軌道工程有限公司成都10號線1標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部 成都市 610000）照片尺寸為20mm*30mm；最好不用紅色背景摘 要 結(jié)合砂卵石地層的特點(diǎn)和施工現(xiàn)場實(shí)際情況，對砂卵石地層下盾構(gòu)施工中盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)及刀具配置方面的優(yōu)化改良進(jìn)行了分析和闡述。關(guān)鍵詞 砂卵石；盾構(gòu)；刀具；刀盤；結(jié)構(gòu)；配置；優(yōu)化；改良 Optimal allocation and improvement of shield machine tool in sandy pebble stratumZHU Meng-liu(Ur

2、ban Mass Transit Englneering Co.,Ltd of China Railway 11th Cnstruction Bureau Group, Cheng Du, 610000)Abstract Combined with the characteristics of the sandy pebble stratum and the actual situation of the construction site,the optimization and improvement of the structure of the shield machine cutte

3、r and the cutter configuration in the shield construction are analyzed and expounded.Keywords sandy pebble; TBM; cutter; structure; configuration; optimization;improvement3 / 5·砂卵石地層盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析·1 引言在長距離的富水卵石地層中掘進(jìn)，對盾構(gòu)機(jī)刀盤及刀具都是一個考驗(yàn)，要求刀盤和刀具具有很強(qiáng)的耐磨性，因卵石對刀具會造成很強(qiáng)的沖擊，同時要求刀具具有足夠的抗沖擊性能。2 砂卵石地層盾構(gòu)施工特點(diǎn)成

4、都地鐵盾構(gòu)機(jī)刀盤大部分為面板式復(fù)合型刀盤，既安裝了破巖能力強(qiáng)的滾刀，也安裝了刮削軟土的刮刀。在砂卵石地層盾構(gòu)施工中采用盤形滾刀，其破巖機(jī)理與盤形滾刀在硬巖地層中的傳統(tǒng)破巖機(jī)理有著顯著的不同，刀具的磨蝕情況也有較大的區(qū)別。 圖1滾刀硬巖破巖機(jī)理該地質(zhì)對傳統(tǒng)的刀具磨損十分嚴(yán)重，刀具消耗量大，并存在大量的滾刀偏磨（特別是邊緣滾刀）、刀圈斷裂等非正常磨損。由此帶來頻繁的換刀、地層加固、換刀安全等一系列問題，導(dǎo)致施工成本巨大。（1）啟動扭矩過大 滾刀在該地質(zhì)中使用，由于開挖面松散，不能提供足夠大的反力克服滾刀本身的啟動扭矩以及土倉內(nèi)渣土的摩擦阻力力矩和刀箱內(nèi)渣土的阻力力矩，造成滾刀不轉(zhuǎn)，導(dǎo)致偏磨。（2）

5、刀體變形 在整體松散的砂卵地層，不但刀圈的磨損，而且刀體的表面也磨損嚴(yán)重，特別是因富含石英的砂粒和堅(jiān)硬的鵝卵石，對刀圈和刀體都產(chǎn)生巨大的磨蝕。而傳統(tǒng)的滾刀刀體材質(zhì)為42CrMo，硬度約為HRC2832，不具備很高的抗磨蝕性，很快被磨薄而降低了強(qiáng)度。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/Min時，對于直徑為6.28M的刀盤，邊緣滾刀的線速度約為0.65米/秒，而對于直徑為12M的刀盤，邊緣滾刀的線速度高達(dá)1.25米/秒，若撞擊上漂石或大塊的鵝卵石則造成刀體變形，導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn)，因抗沖擊應(yīng)力不足而形成偏磨。（3）刀圈斷裂 傳統(tǒng)的硬巖滾刀刀圈，多采用合金工具鋼，在提高韌性的同時也容易造成刀圈的脆性增加，在大的卵石和漂石的

6、高速撞擊下，造成刀圈斷裂。 在該地質(zhì)中施工，滾刀的破巖機(jī)理與硬巖破巖有很大的不同。相比硬巖而言，滾刀受到更多的刮削磨損和沖擊磨損。 刀圈受到磨損的同時，石英含量很高的砂和卵石也會直接作用于滾刀刀體表面，從而對刀體也產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。 滾刀在此地質(zhì)中使用，除了正常的磨損外，還存在大量的非正常磨損（特別是邊緣滾刀），其主要形式是滾刀的偏磨、刀圈斷裂、刀體過度磨損等。3 砂卵石地層提高盾構(gòu)刀具壽命的改良對策 （1）刀圈 根據(jù)滾刀在砂卵地層中的破巖機(jī)理與硬巖中的區(qū)別，刀圈的截面尺寸和性能指標(biāo)應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整： A） 為了提高刀圈的耐磨性和使用壽命，將刀刃寬由3/4吋增加到28MM或更大（圖5），同時提高其

7、抗沖擊能力。 B） 由于砂卵地質(zhì)中石英含量高，其顯微硬度高、磨蝕性高，為了提高刀圈對付石英的抗磨性，材料成分中適當(dāng)提高釩、鈮、鎢、鉬、鎳、鉻等合金元素的含量，同時控制好鍛造工藝和熱處理工藝，以達(dá)到細(xì)化晶粒、提高其抗沖擊能力。 C） 由于滾刀在本地質(zhì)中使用，受到較大的撞擊，因此不宜為了提高其耐磨性而片面的提高其硬度，必須兼顧其抗沖擊能力。 （2）刀體 由于刀體在本地質(zhì)中使用，會受到嚴(yán)重磨蝕和撞擊，故刀體應(yīng)具備較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊能力： A）刀體應(yīng)采取耐磨處理，如表面堆復(fù)耐磨材料、提高刀體的硬度（淬火至HRC46以上，或表面滲碳、碳氮共滲等處理）。 B）提高刀體的厚度和強(qiáng)度，以便提高刀體的抗沖擊變

8、形能力。（3）啟動扭矩 嚴(yán)格控制好滾刀的啟動扭矩，如果在特別松軟的地質(zhì)，對于單刃滾刀，開挖面無法提供足夠的反力來克服啟動扭矩和阻力扭矩，可適當(dāng)考慮采用雙刃滾刀，以便提高轉(zhuǎn)動力矩。（4）刀具改裝 對于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，通常使用的滾刀規(guī)格為17吋（刀圈外徑431.8mm），極限磨損量為：正面滾刀約2530mm，邊緣滾刀約15mm。為了提高其使用壽命，可適當(dāng)增加極限磨損量，對滾刀的安裝做適當(dāng)?shù)母难b4 砂卵石地層盾構(gòu)刀具改良優(yōu)化歷程實(shí)例分析案例1 在2007-2009年成都地鐵工程建設(shè)初期，由于對成都特殊的富水砂卵石地層認(rèn)識不足，刀盤刀具沒有進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)，各施工單位的掘進(jìn)工作遇到了非常大的困難。主要為

9、刀具磨損快、刀盤磨損嚴(yán)重。早期滾刀換刀掘進(jìn)里程不足100環(huán)。 早期的盾構(gòu)刀具：1）復(fù)合刀盤，安裝有滾刀和刮刀；2）既有單刃滾刀，也有雙刃滾刀；3）滾刀為標(biāo)準(zhǔn)滾刀，刃寬19.05mm，刀轂沒有任何加強(qiáng)；4）刮刀刃部堆焊耐磨材料，沒有釬焊硬質(zhì)合金塊，背部嵌有合金齒； 經(jīng)過一段時間施工，暴露諸多問題：（如下圖所示）1）滾刀磨損快，刀圈磨薄磨尖；2）滾刀刀轂?zāi)ケ∽冃危?）偏磨、漏油、軸承損毀等非正常失效； 結(jié)合砂卵石地層的特點(diǎn)，我們分析了刀具磨損原因，由于卵石含量在70%左右，卵石含量高，加之卵石土工作面上各向異性導(dǎo)致滾刀受力不均，導(dǎo)致早期型號的刀具出現(xiàn)磨尖、磨薄，甚至崩裂，刀轂也受損嚴(yán)重。 在這段施

10、工時期，針對暴露的明顯問題，刀具廠商及施工單位方面做了一些改進(jìn)優(yōu)化措施：1、 部分使用羊角刀代替中心滾刀，緩解結(jié)泥餅現(xiàn)象，只是在中心羊角刀刀刃與刀體之間加焊了一根耐磨塊，防止被磨掉；2、 刀圈刀刃厚度從20mm提高為28-30mm不斷加厚，增加耐磨性；3、 刀轂表面打耐磨焊； 經(jīng)過一系列改進(jìn)，在施工方面取得了一定的效果，基本上刀具能達(dá)到300-400m的壽命。案例2 在2010-2014年成都地鐵4號線施工期間，主要刀具種類為中心羊角刀、中心雙聯(lián)滾刀、盤型滾刀、小刮刀與邊緣刮刀、泡沫保護(hù)刀、導(dǎo)流刀、保徑刀。2號線施工經(jīng)驗(yàn)分析掘進(jìn)距離極限為380米。此段時期，除保證基本的施工外，在施工過程中，又

11、陸續(xù)暴露出一些問題。 （1）刀盤中心磨損嚴(yán)重； （2）刀具配置基本滿足盾構(gòu)施工； （3）面板磨損較為嚴(yán)重，刀具U型塊高度高于其周邊面板高度，導(dǎo)致U型塊被磨損，刀具得不到有效保護(hù)，出現(xiàn)刀具端蓋、刀軸磨損，增大刀具成本；（4）刀盤中心無開口，易導(dǎo)致中心結(jié)泥餅，推力增大；（5）刀具配置有待優(yōu)化。 針對以上問題，在此段施工時期，做了如下改進(jìn)：在刮刀方面：除了將原來的小刮刀改為大刮刀，在合金含量上也做了提高，目前使用的刮刀合金含量在7.1kg左右，掘進(jìn)里程至少可達(dá)1km。在刀盤結(jié)構(gòu)方面：刀盤周邊焊接一定數(shù)量保護(hù)刀，刀盤面板加焊耐磨層及耐磨網(wǎng)格，有效保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)不受磨損。 在滾刀方面：采用滾刀前突安裝。

12、對于海瑞克盾構(gòu)機(jī)，對U形塊尺寸進(jìn)行改造，可根據(jù)實(shí)際情況確定前突安裝量。以前突安裝10mm為例，則極限磨損量為：正面滾刀由原來的25mm增加至35mm，提高使用壽命40%，邊緣滾刀由原來的15mm增加至25mm，提高使用壽命67%，并且刀具的成本基本沒有改變。只是增加了刀圈增大的成本，由原來的17吋變?yōu)?7.6吋。如圖示：按此改裝可能會導(dǎo)致一些問題是后期需要考慮進(jìn)一步優(yōu)化的： 隧道開挖直徑增大了20mm，導(dǎo)致出渣量和注漿量相應(yīng)增加，這點(diǎn)在掘進(jìn)施工中必須加以注意和重視。 U形塊向前突出10mm，前突外露部分會加快磨損，應(yīng)做相應(yīng)的耐磨處理（表面堆焊耐磨層）或加焊耐磨。經(jīng)過以上改進(jìn)后，掘進(jìn)效果明顯提升

13、，滾刀換刀掘進(jìn)里程可達(dá)750m。如下圖所示：4號線5標(biāo)中長區(qū)間（掘進(jìn)750環(huán)） 在2015年至2016年施工期間，針對渣土改良效果不佳、中心部位結(jié)泥餅以及開倉換刀方面時間長風(fēng)險(xiǎn)大等問題，在成都地鐵10號線施工期間，我們對盾構(gòu)機(jī)又提出一些新的改進(jìn)思路： 刀具配置：取消1#和4#中心雙聯(lián)滾刀，不再安裝其它刀具，增加刀盤中心區(qū)域結(jié)構(gòu)開口率，緩解中心結(jié)泥餅現(xiàn)象。在原刀箱周邊面板焊接一定數(shù)量的保護(hù)塊，防止刀箱結(jié)構(gòu)磨損。 泡沫系統(tǒng)：連接橋處增加泵，形成單管單泵； 刀盤：刀盤前方增加兩個膨潤土管路；或?qū)筛菽芨臑榕驖櫷凉埽?5#臺車后面增加小平臺，供二次注漿使用，方便快捷提高效率； 開倉換刀方面，封開口

14、目前采用木模板加鋼筋焊接方式，可按照開口情況定做一套模板，采用螺栓連接方式與刀盤背面鏈接，減少開倉不必要的時間，提高換刀效率；5 結(jié)束語經(jīng)過成都近幾年盾構(gòu)施工，我們不斷總結(jié)、不斷改進(jìn)，力爭使設(shè)備更好的適應(yīng)地層，從而達(dá)到更好更高效的施工效果。對于刀具的配置選用，陸續(xù)經(jīng)歷了幾次的嘗試和優(yōu)化，使換刀掘進(jìn)里程由最初的160米達(dá)到750米，大大的提高了施工效率，節(jié)約了施工成本，當(dāng)然這其中包含了對掘進(jìn)參數(shù)的不斷總結(jié)提高。參考文獻(xiàn)1 成都砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)耐磨性及刀具適用性研究王樹華.2012.2 隧道建設(shè).2 王振飛、張成平、張頂立、孫毅富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)刀具的磨損與適應(yīng)性1673-02912013 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào).3 劉志宇成都砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具在掘進(jìn)中的改進(jìn)建筑知識施工技術(shù)與應(yīng)用4 徐鵬程、張濤、鄭瑞兵無水砂卵石地層盾構(gòu)刀具磨損狀態(tài)和規(guī)律的技術(shù)研究施工技術(shù).5 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水